PU 合成革面料易清潔性能的構(gòu)建研究

趙 綺，石 磊，鐘 齊，方 政

（1.嘉興職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 嘉興 314000；2.浙江禾欣科技有限公司，浙江 嘉興 314000；3.浙江理工大學(xué)，浙江 杭州 310018）

PU 是英文polyurethane 的縮寫(xiě)，化學(xué)中文名稱為“聚氨酯”。PU 合成革就是聚氨酯成分的表皮。由于制備容易，成本低，合成皮革被廣泛應(yīng)用于人們的日常生活中，如衣服、包、鞋、家具和車輛。在這些人造皮革中，PU（聚氨酯）具有多種優(yōu)點(diǎn)，外觀、功能以及手感與真皮相近。因此,越來(lái)越多的PU 被用于代替真皮[1]。其應(yīng)用范圍之廣，數(shù)量之大，品種之多，是傳統(tǒng)的天然皮革無(wú)法比擬的。

1 PU 合成革的應(yīng)用過(guò)程中存在的問(wèn)題與擬解決方法

1.1 存在的問(wèn)題分析

由于PU 革應(yīng)用非常廣泛，除了使用在服裝和箱包的生產(chǎn)上，還涉及到汽車內(nèi)飾（例如座椅、方向盤(pán)、車把手等）、運(yùn)動(dòng)材料（如運(yùn)動(dòng)鞋）以及家具材料（如沙發(fā)）等生活的多個(gè)領(lǐng)域，非常容易沾染各種污漬。而PU合成革面料本身難以機(jī)洗，就產(chǎn)生了易臟難洗的問(wèn)題。目前其已成為PU 革面料待解決的問(wèn)題之一。一般PU 革面料污漬的去除需要消耗大量的化學(xué)助劑（清潔劑）和媒介（水），不利于構(gòu)建綠色低碳社會(huì)。因此很有必要開(kāi)發(fā)一種更易清潔（例如通過(guò)簡(jiǎn)單地擦拭即能去除污漬）的新型PU 合成革，滿足市場(chǎng)需求。隨著人們生活節(jié)奏的加快，新型的智能清潔紡織品能夠提高人們生活的質(zhì)量，故具備較好的研究意義[2-3]。

1.2 擬解決方法

針對(duì)PU 合成革的優(yōu)化，目前主要是通過(guò)聚氨酯改性來(lái)實(shí)現(xiàn)。例如增強(qiáng)材料的疏水性，使面料不易被沾污；或增加材料的親水性，使其污漬更易被除去。如果PU 合成革材料能同時(shí)具有親水性和疏水性，則可兼具在日常使用中的抗污效果和易清潔能力。但是由于親水性和疏水性是相互對(duì)立的，在實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中不易實(shí)現(xiàn)兼具兩種性能的情況。針對(duì)這一問(wèn)題，研究通過(guò)引入溫敏聚合物，在PU 合成革表面構(gòu)建易清潔涂層來(lái)解決上面的問(wèn)題（如圖1）。

圖1 PU 革與溫敏聚合物發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)

研究利用溫敏聚合物具有親水性和疏水性隨溫度變化的特性，使其最終獲得親水性和疏水性能夠隨外界溫度的變化而智能調(diào)整的新性能，實(shí)現(xiàn)不同場(chǎng)景（使用和清潔）不同的表面性質(zhì)，最終實(shí)現(xiàn)清潔效果提升和日常維護(hù)便捷的目標(biāo)。原理如圖2 所示。

圖2 溫敏聚合物實(shí)現(xiàn)易清潔性能

在前述基礎(chǔ)上，通過(guò)引入光催化劑g-C3N4，利用其在光照條件下可產(chǎn)生自由基分解有機(jī)物的特性，可以有效增強(qiáng)含復(fù)合水凝膠涂層的PU 合成革對(duì)于水性污漬的去除效果。通過(guò)對(duì)g-C3N4的聚集態(tài)結(jié)構(gòu)調(diào)控，可在復(fù)合水凝膠表面構(gòu)筑具有微納結(jié)構(gòu)的g-C3N4聚集體，進(jìn)一步增加g-C3N4和污漬的接觸面積，使其清潔效果進(jìn)一步提升。

2 PU 合成革面料易清潔性能構(gòu)建實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)原料與試劑

使用的原料及來(lái)源：聚乙二醇甲醚甲基丙烯酸酯（OEGMA300，純度95%）、丙烯酰胺（AAm，AR）、N,N,N′,N′-四甲基乙二胺（TEMED，AR）、阿拉伯膠（GA，醫(yī)藥級(jí)）和過(guò)硫酸銨（APS，純度99.99%）購(gòu)自Aladdin。N,N′-亞甲基雙（丙烯酰胺）（MBA，純度99%）和羅丹明B（RhB，AR）從Macklin 獲得。超纖合成革（PU）從浙江禾欣科技有限公司獲得。

2.2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

2.2.1 交聯(lián)P（GA/AAm/OEGMA300）/g-C3N4復(fù)合水凝膠涂層的超纖合成革制備

交聯(lián)P（GA/AAm/OEGMA300）/g-C3N4復(fù)合水凝膠涂層的超纖合成革的制備步驟如下。

第一步，將 GA（0.5g）、AAm（5g）、OEGMA300（714μl）、MBA（0.0135g）溶解在去離子水（20mL）中，并在室溫下持續(xù)攪拌30min。第二步，將g-C3N4（100 mg）添加到溶液中并用超聲波輻射處理40min。第三步，分別將APS（40 mg）和TMEDA（40 μL）作為氧化還原引發(fā)劑加入燒杯攪拌8min，待溶液變得粘稠后，將其倒入方形模具中使其發(fā)生初步交聯(lián)。該模具深度為1mm，此時(shí)形成的水凝膠厚度即為1mm。由于重力作用，此時(shí)水凝膠上、下表面的g-C3N4含量不同，故將其標(biāo)記為上表面（Front）和下表面（Back）。第四步，將其貼附于經(jīng)氧等離子體活化處理（處理?xiàng)l件為：工作氣體為O2、功率為40W、時(shí)間為5min、工作壓強(qiáng)為5KPa）后的超纖合成革表面，置于50℃的烘箱中靜置5min，以實(shí)現(xiàn)復(fù)合水凝膠涂層和預(yù)處理后的超纖合成革的交聯(lián)。

2.2.2 性能測(cè)試與表征

SEM 測(cè)試：采用美國(guó)Zeiss UK 公司Gemini SEM500 型掃描電子顯微鏡測(cè)試預(yù)處理后的超纖合成革，交聯(lián)P（GA/AAm/OEGMA300）/g-C3N4復(fù)合水凝膠涂層的超纖合成革的表面形態(tài)。

ATR-FTIR 測(cè)試：采用德國(guó)布魯克公司Vertex 70型紅外光譜儀測(cè)試交聯(lián)P（GA/AAm/OEGMA300）/g-C3N4復(fù)合水凝膠涂層的超纖合成革的表面化學(xué)組成和結(jié)構(gòu)特征，掃描波數(shù)范圍設(shè)置為500～4000cm-1。分辨率和掃描時(shí)間分別設(shè)置為4cm-1和32s。

DSC 測(cè)試：采用美國(guó)TA Instruments 的Q2000 型差示掃描量熱儀來(lái)測(cè)定交聯(lián)涂層的LCST。升溫范圍：30℃～100℃，升溫速率：3℃/min，干燥氮?dú)夥铡?/p>

污漬清除測(cè)試：采用美國(guó)DC600 型測(cè)色配色儀來(lái)測(cè)定交聯(lián)P（GA/AAm/OEGMA300）/g-C3N4復(fù)合水凝膠涂層的超纖合成革表面沾污后，清除過(guò)程中的顏色變化。污漬由羅丹明B（RhB）和植物油混合制備獲得。RhB 的去除率（DERhB）可用公式（1）計(jì)算獲得：RhB conversion（%）=（1-K/Smax-t/K/Smax-0）×100%（1）

2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.3.1 交聯(lián)P（GA/AAm/OEGMA300）/g-C3N4復(fù)合水凝膠涂層轉(zhuǎn)變溫度測(cè)試

由圖3 的測(cè)試結(jié)果可知，轉(zhuǎn)變溫度為70.32℃。

圖3 轉(zhuǎn)變溫度分析

2.3.2 PU 合成革表面電鏡掃描（SEM）結(jié)果

PU 合成革交聯(lián)P（GA/AAm/OEGMA300）/g-C3N4復(fù)合水凝膠涂層前后，上下表面的電鏡掃描形態(tài)如圖4所示，可以看到在重力作用下g-C3N4會(huì)發(fā)生沉淀，故下表面(Back)的g-C3N4含量較上表面（Front）的更高，能夠明顯看到下表面(Back)具有更多的g-C3N4聚集顆粒。

圖4 PU 合成革SEM 測(cè)試結(jié)果

2.3.3 PU 合成革清潔性測(cè)試

水性污漬（羅丹明B）清潔性能測(cè)試如下，從圖5～7 所示結(jié)果可以看出，對(duì)于水性污漬而言，由于下表面（Back）的g-C3N4含量更高，在相同光照時(shí)間內(nèi)能夠產(chǎn)生更多數(shù)量的自由基，故其分解有機(jī)物的能力更強(qiáng)，使其與上表面（Front）相比，具有更好的清潔性能。

圖5 水性污漬自清潔去除效果照片

圖6 去除水性污漬K/S 值變化

圖7 水性污漬在180 min 內(nèi)總?cè)コ?/p>

通過(guò)不同溫度（30℃和50℃）下，PU 合成革上下表面水性污漬的去除率（圖8）可以看出，兩種情況下PU合成革都具有良好的自清潔效果，且在較高溫度下（50℃），自清潔效果更佳。主要的原因是在溫度較高的情況下，溫敏聚合物更接近其轉(zhuǎn)變溫度，因此其疏水性更強(qiáng)，使得水性污漬的附著能力進(jìn)一步降低，清潔效果更好。

圖8 不同溫度下水性污漬的去除率

2.3.4 油性污漬清潔性能測(cè)試

油性污漬（尼羅紅）自清潔性去除效果如圖9 所示。圖10 是上表面（back）和下表面（Front）交聯(lián)的超纖合成革，在被含尼羅紅的油污沾污后（黑色）和用25℃去離子水沖洗30s 后（白色）的K/S 值相對(duì)于初始態(tài)的超纖合成革的K/S 值的變化量。

圖9 油性污漬自清潔去除效果照片

圖10 油性污漬去除⊿K/S

根據(jù)測(cè)試結(jié)果可以看出，對(duì)于油性污漬而言g-C3N4含量較高時(shí)，其清潔性能較好。主要的原因也是由于較多的g-C3N4能夠產(chǎn)生更多的自由基，實(shí)現(xiàn)對(duì)污漬的有效分解。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)本研究可以發(fā)現(xiàn)，在PU 合成革表面引入溫敏聚合物基礎(chǔ)上，添加光催化劑g-C3N4，通過(guò)兩者的綜合作用，可以增加PU 合成革對(duì)于水性、油性兩類污漬的去除效果，有效提升PU 合成革的易清潔性能，可以很好解決PU 合成革產(chǎn)品使用過(guò)程中容易沾染污漬的問(wèn)題。